索穹顶结构铸钢节点的有限元模拟分析

36 江苏建筑 2012年第 1期(总第 146期) 索穹顶结构铸钢节点的有限元模拟分析 张彩凤 (江苏兴华建筑设计研究有限公司。江苏南京210029) 【摘 要] 文章采用有限元软件ANSYS建立节点的三维实体模型，为模拟节点的实际工作状态，在模型中考虑材料和接 触两类非线性。分析了节点的受力性能，对影响节点承载能力的重要因素销轴直径和耳板厚度进行了参数分析，得出了销轴 承载能力的计算公式。 【关键词】 接触单元；受力性能；参数分析；承载能力 【中图分类-~]TU323．8 【文献标识码】A 【文章编号]1005—6270{2012)01—0036—04 Finite Element Simulation Analysis on the Cast Steel Joints of the Cable Dome Structures ZHANG Cai-feng (Jiangsu Xinhua Institute of Building Design Co．，ltd，Naujing Jiangsu 210029 China) Abstract：In this paper，the 3D models are established through finite element analysis software ANSYS，and the elasto-plastic analysis were also done．Both material nonlinearity and contact nonlinearity are considered to simulate its virtual working conditions．Through the results of the finite element analysis，we get the stress sta— tus and the most dangerous position． By changing the parameters such as the thickness of the ear placode and the diameter of the hinge pin， the relatives between those parameters and the ultimate carrying capacity of the joints are got．At last，the calculation formulas of the the hinge pin were also got． Key words：contact element；stress perform ance；parameters analysis；capacity 1 单元类型及材料选取 1．1 单元类型选取 节点实体采用 solid95单元，该单元由于节点数多，变 形性能好，能保证计算精度。另外，在环索与索夹连接及销 轴连接的部位，为了符合其实际工作状态均通过创建三维 接触对来模 拟 。分别采用三维八节点面一面接触单元 CONTA174和三维目标单元 TARGEl70。单元网格划分采 用控制单元边长为 10 mm～30 mm．在有接触单元的部位单 元划分应该比其他部位要密集 ．有利于收敛和提高计算精 度。图 l为单元划分后的有限元计算模型。 图 1 Geiger型节点模型 1．2 材料选取 分析时材料模型假定为双线性等向强化模型，切线模 量E1取弹性模量 E的 1／100。由于铸钢具有较好的塑性 ， 铸钢节点的强度准则采用 Von Mises屈服准则。即当计算 点的 Mises应力 超过材料屈服强度 ，就认为该点 进入塑性 。 (1)拉索采用 1860级钢绞线，弹性模量为 1．95x10”N／mz，密 度为 7 850 k#m3，泊松比均为0．3，材料屈服强度为 l 320 MPa。 f2)压杆和销轴均采用 Q345钢，弹性模量为 2．06x10“N／m ， 密度为 7 850 kg／m3，泊松比均为0-3，屈服强度为 345 MPa。 f31铸钢节点材质机械性能指标参照 DIN17182 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 GS一20 Mn5：屈 服强度 不小于 230 MPa，极 限抗拉 强度 不小于 450 MPa。具有较大的安全储备：延伸率大于 22％、D级冲击功 34 J，保证有良好的塑性与韧性。取铸钢节点的屈服强度为 230 MPa。弹性模量取 2．02xl0UN／m2，泊松 比均为 0．3。 2 接触部分有 限元模型的建立 2．1 接触部分 (1)销轴 与孔 壁间接触 ，如图 2。设置接触刚度 FKN=I， 摩擦系数 MU=0．2，设置 Keyopt(5)=3，即消除接触对间隙和 渗透；设置 Keyopt(9)=2，即在第一个荷载步中使渗透渐进 至O，接触对间产生接触压力；同时设置 Keyopt(12)=O，保证 【收稿日~]20．1 1-10．17 【作者简介】张彩凤，南京兴华建筑设计研究院有限公司，硕士。 江苏建筑 2012年第 1期(总第 146期) 39 表 1 销轴承载能 力有 限元值与 理论值 的比较 ’’8m 3e 4。7 日" 1j3．=j6 。 锄 iee． O● ?2，’ 262 ，52 ⋯ ‘ 33 8 图 13 耳板 VonMises应 力图(MPa) 耳板发生破坏时，整个屈服面积约占孑L壁面积的 1／2。 5．3 理论计算公式及 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 公式 (1)销轴计算 由于销轴全截面均屈服，可按公式(1)来估算其承载能 力 。 ．2 n n · (1) 式中，n 为剪切面数目 为销轴屈服应力，d为销轴直 径 。 规范中按抗剪破坏，其承载力的计算公式应为： ，2 n ～A n · (2) 与 (1)不同的是 ， 为所用材料 的抗剪强度 。 (2)耳板计算 ’ 耳板破坏为挤压破坏，破坏时屈服面积为孔壁圆周面 积的 1／2，因此可按式(3)估算其承载能力。 ·t．f／2 (3) 式中，d为销轴直径，t为耳板厚度 为耳板屈服应力。 若按规 范孔 壁挤 压破坏的公式来计算 ．其承 载能力应 为 ： ·t (4) 公式(4)与公式(3)不同的是孔壁的承压面积不是取的 半 圆周 面积 而是 圆周 投影面积 。 (3)有限元结果与理论公式及规范公式值的比较 由表 1可以看出，有限元计算结果与按理论公式(1)、 (3)计算的结果相差不大，按规范公式(2)、(4)计算的结果 与其比值约为0．6左右。并且 ，即使材料按理想弹塑性材料 来考虑，规范公式与此时极限承载能力的比值也为0．85。由 此可知 ，按规范计算的结果相对保守 ，可保证节点有一定的 安全富裕度，本文建议按规范计算。 6 结论 本文在介绍有限元弹塑性分析理论及接触分析相关理 论的基础上。建立 Gerger型穹顶结构下节点的分析模型， 通过有 限元 分析 得出以下结论 ： (1)索穹顶结构铸钢节点的有限元分析是一个非常复 杂的过程，在销轴、索夹及压杆部位采用接触单元才能准确 模拟其实际工作状态。 (2)索穹顶结构铸钢节点的应力分布具有区域性特性， 应力首先从发生接触的部位开始向外扩散。另外耳件与节 点主体相交的部位容易引起应力集中，该处应力较大。应进 行倒角处理 ，而其余部位应力很小。 (3)通过对所设计的铸钢节点的分析。发现销轴连接处 是影响节点受力性能和安全的最重要部件．此处容易发生 销轴的剪切破坏和耳板的挤压破坏。通过分析发现销轴破 坏时整个截面均发生屈服。耳板破坏时耳板屈服面积约 占 孔壁面积的 1／2．并由此推出了销轴承载能力计算的合理计 算公式。最后 ，将按线性强化材料计算的有限元值与理论 值、规范值及按理想弹塑性材料计算的有限元值与规范值 进行比较 ，发现按规范计算时相对保守，能有一定的安全保 证 。 (4)销轴连接系统中的销轴直径和耳板厚度是影响节 点承载能力的重要因素。通过参数分析发现其承载能力与 销轴直径成二次方的关系，与耳板厚度则成线性关系。 参考文 献 【1】 袁行飞．索穹顶结构的理论分析和试验研究【D]．浙江 大学．2000． [2】 林彦．铸钢节点的理论分析与试验研究[D】，天津大学， 2Oo4． [3】 颜东煌，刘雪锋，田仲初，彭涛．销轴连接结构的接触 应力分析[J]．工程力学，2008，25(1) 【4】 蔡闻．索端冷压锚固节点接触及承栽力模拟分析【D】． 昆明理_T-大学．2005． 【5] 冯登泰．接触力学的发展概况【J】．力学进展，1987．